10.1狄拉克函数-武汉大学数学物理方法

问题的引入：
2、格林函数: 点源函数,点源产生的场和影响
若外力 f ( x , t ) 只在 ξ 点 , τ 时起作用
⎧ ⎧0, x ≠ ξ , t ≠ τ 2 ⎪utt = a u xx + f ( x, t ) , f ( x, t ) = ⎨ ⎩ f (ξ ,τ ), x = ξ , t = τ ⎪ ⎪ 则 ⎨u x =0 = 0, u x =l = 0 ⎪ ⎪u t =0 = 0, ut t =0 = 0 ↑ ⎪ ⎩
3. ∫ ∫ sin(x + y)δ (x + 2)δ ( y −1)dxdy= ?
−∞−∞
1 ∞ ∞
4. 长为l, 密度为ρ的弦两端固定 , 初位移为零, 初始时刻在x = x 0 点受到一横向冲量 I 0 .试写出弦 的横振动的定解问题。
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来自百度文库、小结
§10.1 δ 函数
−∞
( 2 ) ( x − x 0 )δ ′ ( x − x 0 ) = − δ ( x − x 0 ) ( 3 ) ∫ f ( x )δ ( n ) ( x − x 0 )dx = ( − 1) n f
−∞
n
∞
(n)
( x0 )
δ ( x − xi ) 3、δ [ϕ ( x)] = ∑ , 其中ϕ ( xi ) = 0 i =1 ϕ ′( xi )
特别 : 若 ∫ ϕ ( x )g ( x ) dx = 0, 则必有 g ( x ) = 0
a
b
a
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δ 函数的性质 二、
∞
§10.1 δ 函数
d 2、若定义 δ ( x ) = δ ′( x ) − δ函数的导数 , 则 dx
(1) ∫ f ( x )δ ′( x − x 0 )dx = − f ′( x 0 )
m =1
x
Δm ⎧0 x ≠ 0 =⎨ 则密度 : ρ ( x) = lim Δx →0 Δx ⎩∞ x = 0
∞
0
−∞
∫ ρ ( x)dx = 1
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一、δ函数的引入
1、物理背景 （2）带电导线
q =1
0
§10.1 δ 函数
总电量q = 1,集中在x = 0处
x
Δq ⎧0 x ≠ 0 =⎨ 则电荷密度 : ρ ( x) = lim Δx →0 Δx ⎩∞ x = 0
Methods in Mathematical Physics
第十章 格林函数法
Method of Green’s Function
武汉大学物理科学与技术学院
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问题的引入：
⎧行波法 : 无界空间波动问题, 有局限性 ⎪ ⎨分离变量法 : 各种有界问题, 其解为无穷级数 ⎪积分变换法：各种无界问题, 其解为无限积分 ⎩ 1、格林函数法：
(2) δ − 广义函数
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二、δ函数的性质
设 f ( x)在(−∞, ∞)连续, 则
∞ ∞
§10.1 δ 函数
1、
−∞
∫ f ( x)δ ( x − x )dx = f ( x ) [ ∫ f ( x)δ ( x)dx = f (0)]
0 0 −∞
注意 : ∞ δ 也能表示连续分布的函 数
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一、δ函数的引入
3、注意：
§10.1 δ 函数
(1) δ − 密度函数和点源函数
若在x = x0点放有m质量,总质量m 则 ρ ( x) = mδ ( x − x0 ) 同样若在x = x0 放有电量为q的点电荷，总电量为q， 则 ρ ( x) = qδ ( x − x0 )
⎧ ⎧0 x ≠ x0 ⎪δ ( x − x0 ) = ⎨ ⎩∞ x = x0 ⎪ 一般 : ⎨ ∞ ⎪ ⎪ ∫ δ ( x − x0 )dx = 1 ⎩− ∞
∞
−∞
∫ f ( x)δ ( x − x )dx = f ( x ) [ ∫ f ( x)δ ( x)dx = f (0)]
0 0 −∞
∞
∞
u ( x, t ) − 格林函数, 即G(x, t ξ ,τ ); f ( x, t ) − 点源
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问题的引入：
3、为何引入格林函数法
5 .2 → ⎧ ⎪Δu = − h(M ) → ⎨ ⎪ ⎩u σ = f ( M )
u ( M ) = ∫∫∫ G ( M , M 0 )h( M 0 )dτ 0
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三、高维δ 函数 2、性质：
(1) ∫
∞ −∞
§10.1 δ 函数
∫ ∫ f ( M )δ ( M − M
0
)dxdydz
= f ( x0 , y 0 , z 0 ) = f (M 0 )
∞
( 2) ∫
−∞
∫ f ( M )δ ( M − M
0
)δxdy
= f (M 0 ) = f ( x0 , y 0 )
−∞
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∫
f ( x )δ
(n)
( x − x 0 )dx = ( − 1) f
n
(n)
( x0 )
§10.1 δ 函数
本节作业
习题 10.1： 1 (1)（3）；4； 6（1）（4）；7；
Good-by!
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其解为含有格林函数的有限积分。 Δ u = − h ( M ) ⎧ ⎪ 由§10.2: → ⎨ ⎪ ⎩u σ = f ( M )
u ( M ) = ∫∫∫ G ( M , M 0 )h( M 0 )dτ 0 − ∫∫
τ
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σ
∂G f (M 0 ) dσ 0 ∂n0
G(M,M0)－狄氏格林函数
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三、高维δ 函数
1、定义：
⎧ ⎧0 , M ≠ M 0 ⎪δ ( M − M 0 ) = ⎨ ⎩∞ M = M 0 ⎪ (1) ⎨ ∞ ⎪ ⎪ ∫ ∫ ∫ δ ( M − M 0 )dv = 1 ⎩ −∞
§10.1 δ 函数
其中, δ ( M − M 0 ) = δ ( x − x0 , y − y 0 , z − z 0 ) = δ ( x − x0 )δ ( y − y0 )δ ( z − z 0 ) 为三维函数 ; dv = dxdydz
其中, δ ( M − M 0 ) = δ ( x − x0 , y − y 0 ) = δ ( x − x0 )δ ( y − y0 ) 为二维函数 ; dv = dxdy
⎧ ⎧0 , M ≠ M 0 δ (M − M 0 ) = ⎨ ⎪ ⎪ ⎩∞ M = M 0 ( 2) ⎨ ⎪ ∞ δ ( M − M 0 ) dxdy = 1 ⎪ ∫ ∫ ⎩ −∞
f (t ) =
−∞
∫ f (τ )δ (τ − t )dτ = ∫
b
b
a
f (τ )δ (τ − t )dτ
附：判断函数相等的一种方法：
设 f ( x) 与 g ( x) 都是定义在(a,b)区间上的函数，若对于定义在 (a,b)区间上的任意连续函数 ϕ ( x) 都有如下等式成立：
∫
b
a
f ( x )ϕ ( x )dx = ∫ g ( x )ϕ ( x ) dx , 则必有：f ( x) = g ( x)
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四、例题
1 1.∫ sin xδ ( x − )dx = ? 1 2 2 2.∫ sin xδ ( x)dx = ?
2
§10.1 δ 函数
0 0
sin(−1)
⎧utt = a2uxx ⎪ u |x=0 = 0, u |x=l = 0 ⎪ ⎪ ⎨u |t =0 = 0 ⎪ ⎪ut |t =0 = I0 δ (x − x0 ) ⎪ ρ ⎩
2、格林函数法的思想、方法、步骤 3、狄氏积分公式的应用 4、如何用电象法求狄氏格林函数
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第十章 格林函数法
§10.1 δ 函数
The Delta Function
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一、δ函数的引入
1、物理背景
§10.1 δ 函数
（1）金属线 总质量m = 1, 集中在x = 0 处
τ
− ∫∫
σ
∂G f (M 0 ) dσ 0 ∂n0
（1）解的形式(有限积分)便于理论分析和研究 （2）以统一的形式研究各类定解问题 （3）对于线性问题，格林函数一旦求出，就可以算 出任意源的场，关键就是求点源
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第十章 格林函数法
Method of Green’s Function 中心：用格林函数法求解狄氏问题 目的: 1、掌握(点源函数) δ 函数的定义、性质
∞
−∞
∫ ρ ( x)dx = 1
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一、δ函数的引入
2、定义：
§10.1 δ 函数
⎧ ⎧0 x ≠ 0 ⎪δ ( x) = ⎨ ⎩∞ x = 0 ⎪ ⎨∞ ⎪ δ ( x)dx = 1 ⎪∫ ⎩− ∞
− δ函数
⎧ ⎧0 x ≠ x0 ⎪δ ( x − x0 ) = ⎨ ⎩∞ x = x0 ⎪ 一般 : ⎨ ∞ ⎪ ⎪ ∫ δ ( x − x0 )dx = 1 ⎩− ∞